Sobre la vida

La vida no es simplemente una cadena de eventos biológicos; es la interacción de la información, la energía física y mental, y la materia. Tejida en el telar del Universo, es maravillosa y sorprendente en su infinita diversidad.

15.1 Introducción

Es indispensable un enfoque multidisciplinario para entender la vida en toda su complejidad.

Este enfoque estructurado permite abarcar la amplia gama de conceptos presentados en la primera parte, asegurando que el lector pueda apreciar la complejidad de la vida desde múltiples ángulos y entender cómo las últimas investigaciones están desafiando y expandiendo nuestras definiciones y comprensión de este fenómeno fundamental.

El objetivo del capítulo es explorar qué es la vida, su origen y su relación con las leyes universales.

Existe una gran cantidad de definiciones de vida. La definición más actual sobre qué es la vida es un tema complejo y en constante debate dentro de la comunidad científica, variando según las disciplinas y perspectivas.

Sin embargo, en nuestro contexto, el concepto de vida podría integrarse a las discusiones sobre la complejidad, la información y la entropía, considerando la vida como un fenómeno emergente de sistemas complejos que exhiben ciertas características distintivas, como la autoorganización, la capacidad de procesar información y adaptarse al medio ambiente, y una tendencia hacia aumentar la complejidad a lo largo del tiempo, a pesar del incremento general de entropía en el universo. Y algo muy importante, la tendencia, en cualquiera de sus formas (estructuras), a desarrollar el sistema nervioso más complejo.

15.2. ¿Qué es la vida?

Para la biología molecular, que se enfoca exclusivamente en investigar los “bloques de construcción” de la naturaleza, se perdieron de vista las diferencias características entre lo viviente y la materia inerte. Para la biología molecular no hay diferencia cualitativa entre una célula viva y una muerta. Justo antes y después de morir la célula contiene las mismas moléculas y estructuras.¹ Pero esto sólo es aparente ya que existe una enorme diferencia, la desaparición de los principales pegamentos o enlaces que caracterizan su estado de vida. Es decir, la gran diferencia es que el flujo de información se ha detenido. Lo que caracteriza la vida es el flujo continuo de la información que transmiten los enlaces.

La materia que constituye la vida tiene un sinfín de propiedades ausentes en la materia inorgánica, posee irritabilidad, capacidad de diversificación, adaptación al medio y sus cambios, posee un sistema nervioso (energía electromagnética) que tiende a incrementar su complejidad para cumplir con el principio complejidad-información y llegar producir un sistema nervioso complejo. Cada línea evolutiva de las ramas de la vida conduce indefectiblemente a la adquisición del sistema nervioso más complejo posible. Esto se puede corroborar en estudios científicos que nos muestran como muchas especies han llegado a la autoconciencia.

15.3 la vida y las leyes de la naturaleza

“Como resultado de las condiciones ‘improbables’, la vida es compatible con las leyes físicas, pero no se deduce de estas al no prever las condiciones iniciales” Este es el criterio que sostiene Monod en su obra “El azar y la necesidad” Según su visión, mantener la vida correspondería a una lucha constante de ‘diablillos de Maxwell enfrentándose con las leyes de la física para conservar las condiciones altamente improbables que permiten su existencia

Mientras subsistan estas dificultades, los procesos vitales quedan en cierto sentido ‘expulsados’ de la naturaleza y de las leyes físicas. En consecuencia se ve uno tentado a atribuir un carácter accidental a los organismos vivientes y a imaginar el origen de la vida como un acontecimiento altamente improbable , tal como la aparición espontánea del ADN

En consonancia con Ilya Prigogine, nuestro punto de vista es totalmente distinto al de Monod, en el sentido de que los procesos vitales lejos de funcionar al margen de la naturaleza, siguen las leyes de la física adaptadas a interacciones no lineales específicas y a condiciones que distan mucho del equilibrio. Estas características pueden permitir el flujo de materia, energía e información necesarias para construir y mantener el orden funcional y estructural. Es decir, para aumentar la complejidad.

Esta representación visualmente dinámica y compleja captura la multidisciplinariedad del estudio de la vida, mostrando una diversa amalgama de estructuras celulares, hebras de ADN e interacciones moleculares. Los colores y las representaciones abstractas subrayan el flujo de información y los procesos de autoorganización y adaptación dentro de los sistemas vivos, enmarcados en un contexto cósmico que enfatiza los principios universales que gobiernan la vida.

15.4. Definiciones de vida

15.4.1 En nuestro contexto

La vida puede definirse como un proceso evolutivo que resulta de la interacción de principios físicos, químicos y biológicos, guiado por la dinámica de sistemas complejos y las leyes de la termodinámica, particularmente a través de los conceptos de entropía y de estructuras disipativas. Esta perspectiva subraya la idea de que la vida surge y evoluciona dentro de la complejidad creciente del universo, manejando y procesando información de manera que reduce la entropía localmente, aunque contribuye al incremento de la entropía en el universo en su conjunto.

Además, dadas las discusiones sobre sistemas complejos, la información y la entropía presentes en el libro, podemos enfocarnos en cómo estos elementos interactúan en el contexto de la vida. Por ejemplo, la vida como un sistema complejo capaz de autoorganizarse, mantener y reproducirse, mientras procesa y genera información, y opera en un balance dinámico con su entorno para mantener un estado de baja entropía relativa. La vida, desde esta perspectiva, podría verse como un ejemplo primordial de cómo la complejidad y la información emergen y se mantienen en un universo regido por principios termodinámicos que favorecen el aumento de la entropía.

Este enfoque también permite abordar la evolución de la vida desde el origen de estructuras prebióticas simples hasta la diversidad de formas de vida complejas existentes, como un proceso continuo de aumento en la complejidad y la capacidad de procesamiento de información, enmarcado dentro de la dinámica evolutiva del universo y sus principios fundamentales de complejidad, información y entropía.

Podemos argumentar que, a partir de la célula, el “software” que responde a las leyes de la naturaleza adquiere una gran complejidad.

15.4.2 Según Sara Walker (física teórica experta en astrobiología y abiogénesis)²

1. La vida es la manera en que las estructuras de la información organizan la materia a través del espacio y el tiempo.
2. La vida es la física de la existencia: el mecanismo que el universo emplea para explorar el espacio de lo que es posible.

3.- Incluso el micoplasma más pequeño es inconmensurablemente más complejo que cualquier red de reacciones químicas que podamos diseñar en el laboratorio con la tecnología actual.

Se trata de un marco para entender el origen de la vida como una transición en la estructura causal y en la gestión y el control de la información, por la que ésta adquiere eficacia causal sobre la materia en la que se instala.

Aunque es notoriamente difícil identificar con precisión lo que hace que la vida sea tan distintiva y notable, existe un acuerdo general en que su aspecto informacional es una propiedad clave, y quizás la propiedad clave. La forma en que la información fluye a través de las células y las estructuras subcelulares y entre ellas no se parece a nada de lo observado en la naturaleza.

15.4.3 Según Michael Levin³

Los sistemas vivos son máquinas con agencia.⁴ Michael Levin sostiene que los sistemas vivos son máquinas agentes con memoria y preferencias, capaces de aprender de las experiencias y orientar su comportamiento hacia metas específicas. Su investigación, que integra bioelectricidad, biología evolutiva y ciencia cognitiva, redefine la vida subrayando su carácter de agente moralmente significativo. Levin añade que los sistemas biológicos no son meras máquinas, sino entidades complejas que operan con objetivos en múltiples niveles, desde redes moleculares hasta enjambres, cada uno con su propia agenda. Esta estructura multinivel no solo promueve la flexibilidad y robustez del sistema, sino que también limita la libertad y agencia de cada nivel inferior, dotándolos de un comportamiento orientado a metas.

15.4.4. Según Lee Cronin (experto en sistemas químicos complejos)

La vida son máquinas simples construyendo máquinas más complejas.

La barrera entre la vida y la no-vida es acumular suficientes recuerdos y conocimientos para luego actuar.

15.3.5 Según la NASA

La vida es el sistema químico autónomo capaz de realizar la evolución darwiniana.

Notas

1. Biophysics and the Life Process”, Wolfgang Lillge, 21st Century Science and Technology. Verano, 2001.

2. Sara Walker and Paul C. W. Davies.  The Algorithmic Origen of Life Journal of the Royal Society 2012 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3565706/pdf/rsif20120869.pdf

3. Michael Levin Machine Life Living things are remarkable, agential, morally-important machines. ResearchGate

El Dr. Michael Levin es profesor y director del Centro Tufts de Biología Regenerativa y del Desarrollo del Departamento de Biología de la Universidad Tufts de Medford, Massachusetts, EE UU. La investigación de Levin se centra en el modo en que las células animales se comunican entre sí durante el desarrollo embrionario y la regeneración de células y tejidos.

4. La noción de "máquinas con agencia" se refiere a sistemas o entidades capaces de realizar acciones o tomar decisiones de manera autónoma.

La evolución cosmológica

12.1. Definición de evolución cosmológica

La evolución cosmológica es la sucesión de cambios en la materia y la energía que componen el universo, a través del tiempo y que lleva a la materia a la formación de estructuras y leyes que la rigen, cada vez más complejas. 

Esta breve definición no incluye la vida, pero sí las interacciones de materia y energía con las estructuras mentales (leyes de la física). 

Desde un punto de vista de la ingeniería, la evolución cosmológica puede considerarse como la construcción de la infraestructura del universo, cimientos, plantas  de energía, yacimientos de materia prima, etc. 

12.2. El inicio del Universo

12.2.1. El Big Bang

Las hipótesis sobre el inicio del universo están encabezadas por la teoría del Big Bang, que postula un comienzo en el que toda la energía se concentró en un punto infinitesimal extremadamente caliente (llamado singularidad), que se expandió como espacio-tiempo dando lugar al universo, que se ha seguido expandiendo hasta nuestros días. La teoría del Big Bang se complementa con la teoría de la inflación, que profundiza en el concepto de expansión cosmológica. La inflación es un proceso que actualmente se considera parte integrante del modelo cosmológico estándar del Big Bang. La inflación propone un periodo de expansión exponencial del universo durante el primer momento de su existencia. La inflación parece resolver el problema de las condiciones especiales necesarias al principio del universo, y son esenciales para poder explicar la forma actual del universo que podemos observar hoy en día.

Las observaciones más recientes han demostrado que la distribución tanto de la materia como de la radiación en el espacio es prácticamente constante y homogénea en todo el universo. 

12.2.2. Otras teorías

Hay otros modelos que cuentan con seguidores entre los científicos de la corriente dominante. Algunos de ellos son: 

-La teoría del estado estacionario de Fred Hoyle, Thomas Gold y Hermann Bondi, que aunque ha sido rechazada, aún se discute. 

-El modelo pre-Big Bang, que es una remodelación de la inflación cósmica inspirada en la teoría de cuerdas. 

-Las teorías inspiradas en la gravedad cuántica.

-La teoría del universo pulsante, que sostiene que el universo colapsa sobre sí mismo y vuelve a iniciar otro Big Bang, por lo que no tiene ni principio ni fin.

-La teoría del universo ekpirótico, que ofrece alternativas a las de la inflación.

Todos estos modelos, aunque factibles, son, por el momento, modelos en estudio

12.2.3. Antes del Big Bang

La primera pregunta que surge es: Si el Big Bang comenzó en el tiempo de Planck (10^{- 43} s), ¿qué ocurrió entre el tiempo de Planck y el tiempo cero? Y si el universo tuvo un comienzo, ¿qué lo produjo? Una respuesta sincera sería "no lo sabemos". Sin embargo, para apoyarnos en alguna teoría que nos permita ser congruentes con el patrón que intentamos obtener, adoptaremos la respuesta dada por Ilya Prigogine, quien argumenta que el Big Bang es un proceso irreversible: Sugiere que se habría producido una transición de fase irreversible desde un pre-universo que denominamos vacío cuántico. Esta irreversibilidad sería el resultado de una inestabilidad en el pre-universo inducida por las interacciones de la gravitación y la materia. Según él, está en el límite del conocimiento positivo, incluso peligrosamente cerca de la ciencia ficción. No obstante, sostiene que los procesos irreversibles asociados a procesos dinámicos han desempeñado probablemente un papel decisivo en el nacimiento de nuestro universo. De acuerdo con Prigogine, el tiempo es eterno. Nosotros tenemos una edad, nuestra civilización tiene una edad, nuestro universo tiene una edad, pero el propio tiempo no tiene ni principio ni fin. Esto acerca dos de los puntos de vista tradicionales de la cosmología: la teoría del estado estacionario introducida por Hermann Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle, que puede aplicarse con mayor precisión al medio inestable que generó nuestro universo, y el enfoque estándar del Big Bang. Otros científicos, como Gabriele Veneziano, padre de la teoría de cuerdas, también sostienen que el Big Bang no fue el origen del universo, sino simplemente el producto de un estado preexistente, un metauniverso: "Nuestro espacio y nuestro tiempo surgieron de un estado anterior, descrito por la teoría cuántica de la gravedad". 

12.3.La función del Universo según la teoría de la información cuántica

Bajo esta teoría, el inicio del Universo (el Big Bang) podría conceptualizarse como el inicio de un complejo proceso de cómputo cuántico. La evolución del Universo, desde este punto de vista, sería el resultado de la evolución de estos cálculos a una escala cósmica.

Si el Universo funciona como una computadora cuántica, entonces el fenómeno del entrelazamiento cuántico podría ser fundamental en su estructura y evolución, conectando partes distantes del cosmos de maneras no evidentes a nivel macroscópico.

La idea del Universo como una computadora cuántica propone una visión del cosmos donde la información y su procesamiento cuántico son fundamentales para entender su origen, estructura y evolución. Combina conceptos de física, informática y filosofía, para ofrecer una perspectiva única sobre la naturaleza del Universo.

De acuerdo con esta teoría, en cuanto nació el universo, empezó a computar. Pero ¿qué computa el universo? El universo se computa a sí mismo. El universo computa su propio comportamiento, pero lo más importante es que el resultado de su computación es siempre información más compleja. Con el tiempo, a medida que procesaba más información, el universo fue tejiendo patrones más complejos e intrincados, como galaxias, estrellas y planetas. Al mismo tiempo, la evolución cosmológica abarca la evolución química, la aparición de elementos de la tabla periódica por procesos estelares.  Por tanto, es necesario disponer de un "software" para que el universo se calcule a sí mismo. En este caso, el software podría iterar los resultados de cada proceso para que surjan las leyes. Podemos considerar las constantes físicas como las condiciones iniciales: “Sin constantes invariables de la Naturaleza y principios fijos de la ciencia, no se puede avanzar objetivamente en la comprensión. Todo esto equivale a decir que 2 + 2 = 4 en todo el Universo o que los átomos de hidrógeno están construidos de forma idéntica en todas partes; si estos principios centrales no son ciertos, no sigas leyendo".¹

Aunque esta teoría es muy prometedora y se apoya en principios científicos sólidos, aún se encuentra en el ámbito de la investigación teórica. No todas sus implicaciones han sido confirmadas experimentalmente.

Aparte de otras objeciones más sutiles, el modelo tendría que demostrar la función computacional de lo que constituye la mayor parte de la energía del universo, conocida como como la energía oscura. 

12.4. Las fases de la evolución cosmológica

 Presentamos una síntesis de la evolución cosmológica, considerando que en cada etapa de la evolución de la materia surgen las leyes correspondientes. La materia contiene lo que puede considerarse como el "software" de estos microordenadores, mientras que los datos o "entradas" los hacen funcionar. 

Una visión resumida de los acontecimientos clave desde el principio del universo hasta la actualidad, en términos de la curva de funcionamiento expuestos en el capítulo 6.

Estos valores son aproximados y pueden variar según las características específicas de la estrella y las dinámicas de su evolución. La física estelar continúa desarrollándose, y los modelos pueden ajustarse con más observaciones y una mejor comprensión de los procesos estelares.

12.4.1-Fase de gestación

Del tiempo de Planck (10-43s) hasta la formación de átomos a los 380 mil años. En esta fase la inflación cósmica, que prácticamente sucedió en el instante mismo del nacimiento del Universo (a los 10-35 s), crea un espacio uniforme lleno de nubes de quarks y otras partículas.  “Cuando el universo apenas tenía un microsegundo de edad, las partículas que daban forma al espacio-tiempo constituían un líquido extremadamente denso y caliente. El plasma de quarks y gluones se formó inmediatamente después de la inflación cósmica. Su perfecta naturaleza líquida fue decisiva para que el universo evolucionara como lo hizo.²

Un segundo después de estallar el Big Bang, una emisión de neutrinos interactuó con todas las partículas que había a su alrededor y moldeó la estructura misma del cosmos, al menos cuando éste se encontraba tan caliente que era una suerte de plasma. Este episodio duró muy poco y el breve contacto entre los neutrinos y la materia no volvería a repetirse, pero dejó una huella indeleble en la distribución de la última a lo largo del universo.”...³

 A partir de quarks se forman protones y neutrones. A partir de protones y neutrones se forman los núcleos de los átomos.

Aproximadamente a los 380,000 años después del Big Bang, los primeros núcleos atómicos comenzaron a formarse en el universo. En ese momento, la temperatura se había enfriado lo suficiente como para que los electrones errantes, que vagaban libremente por el espacio-tiempo, se unieran a los núcleos, dando lugar al nacimiento de los primeros átomos.

12.4.2.-Fase de crecimiento.

La emisión del fondo cósmico de microondas  ocurrió cuando se formó el hidrógeno neutro.y consideramos que es el punto de inflexión cuando inicia la fase de crecimiento.

Nos vamos a aventurar a describir brevemente esta fase, ya que la cosmología es una ciencia que está avanzando de manera impresionante con la integración de la tecnología, de modo que las fechas que damos son provisionales.

La inestabilidad gravitacional, llevó a la atracción de gases formando áreas más densas. Esto dio lugar a la formación jerárquica de supercúmulos, agrupaciones galácticas, cúmulos estelares y, estrellas.

Las primeras estrellas, conocidas como estrellas de Población III,⁴ se formaron aproximadamente entre 100 millones y 200 millones de años después del Big Bang. Estas estrellas eran probablemente  muy masivas, luminosas y de vida corta, compuestas casi enteramente de hidrógeno y helio, los elementos primordiales creados en los momentos iniciales del universo. La formación de estas primeras estrellas marcó el final de la época conocida como la Edad Oscura del universo, dando inicio a la reionización⁵ y la introducción de elementos más pesados en el medio intergaláctico, ya que finalizaron su vida como supernovas y dieron lugar a la emergencia de las poblaciones de estrellas I y II.⁶

Las primeras galaxias comenzaron a formarse aproximadamente entre 100 millones y mil millones de años después del Big Bang. En ese momento, el universo era una sopa caliente y densa de partículas subatómicas y energía. Las galaxias no se formaron directamente a partir de cúmulos de estrellas y gas, sino a partir del colapso gravitacional de densas nubes de gas primordial en el Universo temprano, que luego evolucionaron a través de procesos complejos de formación estelar, enriquecimiento de metales y fusiones. Las estrellas y el gas dentro de las galaxias interactúan de manera dinámica, y las galaxias mismas continúan evolucionando a lo largo del tiempo cósmico. Estas primeras galaxias eran pequeñas y principalmente compuestas de hidrógeno y helio, que se fueron fusionando y colisionando, formando galaxias más grandes y más complejas como la Vía Láctea.

12.4.3.- Fase de incertidumbre

Podemos situar el inició de esta fase de la evolución cosmológica en el punto de inflexión cuando el universo acelera su expansión, más o menos a los 9 mil millones de años después del Big Bang.

La formación de estrellas es un proceso continuo en las galaxias, y nuevas estrellas emergen constantemente en regiones como viveros estelares y cúmulos, pero en esta etapa la entropía, que se había mantenido en un nivel relativamente bajo, se manifiesta al producirse estrelles de la segunda generación que terminarán su vida al consumir su energía. Dependiendo de su masa, básicamente estas estrellas terminan como enanas blancas, estrellas de neutrones o agujeros negros. La mayoría de las galaxias elípticas que son de las más antiguas ya no producen estrellas. La otra característica de esta fase es el surgimiento de sistemas planetarios que se originan en los discos protoplanetarios que rodean las estrellas jóvenes. Estos discos están compuestos de gas y polvo. Las partículas en el disco comienzan a agruparse debido a la gravedad, formando planetesimales. Estos son los bloques de construcción de planetas, Los planetesimales colisionan y se fusionan para formar protoplanetas. Estos protoplanetas continúan acumulando material y limpiando sus órbitas. Finalmente, los protoplanetas se convierten en planetas maduros. Algunos pueden ser rocosos como la Tierra, mientras que otros son gigantes gaseosos como Júpiter. La formación de sistemas planetarios es un proceso gradual y puede llevar millones de años.

Esta fase terminará cuando las galaxias consuman sus gases moleculares y ya no produzcan estrellas. Este sería el punto de culminación dando lugar a:

12.4.4.- La fase entrópica

La teoría más aceptada para el final del Universo establece que en el marco de la Segunda Ley de la Termodinámica, cuando en el Universo ya no nazcan nuevas estrellas y las existentes agoten su combustible nuclear, la energía disponible en forma de luz y calor irá disminuyendo gradualmente. Este proceso conducirá a lo que se conoce como la "muerte térmica" del universo, un estado de entropía máxima donde la energía disponible para realizar trabajo útil es mínima y la temperatura del universo se aproxima a un valor uniforme cercano al cero absoluto, marcando un estado de equilibrio termodinámico.

En este contexto, la entropía, como medida del desorden o de la cantidad de información necesaria para describir el estado de un sistema, juega un papel central. La Segunda Ley de la Termodinámica establece que, en un sistema aislado, como puede considerarse al Universo, la entropía nunca disminuye. Esto significa que, con el tiempo, los sistemas tienden hacia el desorden o el estado de máxima probabilidad, donde la energía está distribuida de manera uniforme y no puede ser aprovechada para realizar trabajo. Este aumento progresivo de la entropía se relaciona directamente con el agotamiento de las estrellas y la reducción de las fuentes de energía disponibles.

Este proceso de agotamiento de la energía estelar y el aumento de la entropía se inscribe dentro de un marco teórico más amplio que incluye conceptos de física, termodinámica y cosmología, y tiene implicaciones profundas para el destino final del universo, frío oscuro y vacío.

Existen varias teorías, pero mencionaremos solamente una :

12.4.5. El gran desgarramiento

Esta teoría sugiere que, si la tasa de expansión acelerada del universo aumenta sin límite debido a la energía oscura, podría llegar un momento en el que la expansión sea tan rápida que supere las fuerzas gravitacionales, electromagnéticas y nucleares, desgarrando galaxias, estrellas, planetas e incluso el tejido mismo del espacio-tiempo.

Sin embargo ¿De dónde procederá la energía necesaria para acelerar la expansión del Universo a esos rangos?

12.5. Siempre investigando al Universo

Los cosmólogos que investigan los agujeros negros, su aparición y evolución, han detectado las ondas gravitatorias que se producen por sus colisiones. Han creado un mapa del universo que revela que la Vía Láctea forma parte de una estructura mayor llamada Laniakea, que es un cúmulo de galaxias. 

Una investigación interesante es la de localizar planetas rocosos. A la fecha se han detectado unos 5,600 exoplanetas y uno de los últimos detectados llamado Gliese 12 b, tiene un gran parecido a la Tierra.

El Universo es un sistema dinámico donde las estrellas nacen y los sistemas planetarios se moldean. Cada nueva estrella y planeta es un testimonio de su asombrosa dinámica cósmica que continuará por miles de millones de años.

En lo que respecta a la evolución cosmológica, sólo podemos asumir que nuestra comprensión es limitada debido a la imposibilidad de la simultaneidad, lo que significa que nuestro conocimiento siempre será incompleto

12.6. Las propiedades del Universo

Actualmente, las características del Universo que se han determinado son las siguientes

 Notas

1. Chaisson Opus cit.

2. Herrera Corral, Gerardo. Universo: La historia más grande jamás contada. Taurus, 2016. Edición Kindle.

3. Gaceta UNAM, Historia de un segundo, pero no cualquiera: justo el primero después del Big Bang. Mariana Vargas, del Instituto de Física, formó parte del equipo internacional que corroboró, por primera vez, la existencia de un fondo cósmico de neutrinos en la distribución de la materia en el universo. Omar Páramo. abril 25, 2019

4. Las estrellas de Población III son hipotéticas y se cree que fueron las primeras estrellas que se formaron en el Universo. A diferencia de las estrellas de Población I y Población II, las estrellas de Población III habrían nacido de las nubes de gas primordial que surgieron tras el Big Bang, compuestas casi exclusivamente de hidrógeno y helio, sin prácticamente ningún metal (elementos más pesados que el helio). Y sus vidas acabarían en explosiones de supernovas, liberando metales al medio interestelar y enriqueciendo el gas a partir del cual se formarían las siguientes generaciones de estrellas (Poblaciones I y II).

5. La ionización es el proceso por el cual un átomo o molécula adquiere una carga eléctrica positiva o negativa al perder o ganar electrones, respectivamente. Este proceso puede ocurrir de varias maneras, como a través de la interacción con radiación de alta energía (por ejemplo, luz ultravioleta o rayos X), colisiones con otras partículas, o mediante procesos químicos. Cuando un átomo se ioniza y pierde uno o más electrones, se convierte en un ion positivo, también conocido como catión. Por otro lado, si un átomo o molécula gana electrones, se convierte en un ion negativo, conocido como anión. La ionización es fundamental en muchos procesos naturales y tecnológicos, incluyendo la formación de auroras, la química de la atmósfera superior, la conducción de electricidad en gases, y en tecnologías como la espectrometría de masas y la fusión nuclear. La reionización es el proceso mediante el cual el gas en el Universo temprano, que estaba en su mayoría en forma neutra, fue ionizado por la primera luz de las primeras estrellas y galaxias.

6. La Población I se compone de estrellas jóvenes que contienen una mayor cantidad de metales (en astronomía, se considera "metal" a cualquier elemento más pesado que el helio). Estas estrellas suelen encontrarse en los discos de las galaxias, especialmente en los brazos espirales de las galaxias espirales, donde se forman nuevas estrellas. Son estrellas que incluyen al Sol, y tienden a ser más calientes y más brillantes. La presencia de metales indica que se han formado a partir de nubes de gas enriquecidas por generaciones anteriores de estrellas que han expulsado estos elementos pesados al medio interestelar a través de sus vientos estelares y supernovas.

La Población II se compone de estrellas más antiguas con baja metalicidad, lo que indica que se formaron cuando el Universo era más joven y el medio interestelar contenía menos elementos pesados. Estas estrellas se encuentran principalmente en el halo galáctico, en cúmulos globulares y en el bulbo galáctico. La menor proporción de metales sugiere que estas estrellas son de generaciones anteriores, formadas poco después del Big Bang, por lo que son testigos de los procesos de formación estelar en las etapas tempranas del Universo.

Existen también subclasificaciones y estrellas de transición entre estos dos grupos principales, reflejando la diversidad y complejidad en la formación y evolución estelar a lo largo de la historia del Universo.

La evolución final de una estrella depende en gran medida de su masa inicial. Aquí se explica brevemente:

1.-Enana Blanca: Las estrellas con masas iniciales de hasta aproximadamente 8 veces la masa del Sol, generalmente terminan su vida como enanas blancas. Después de agotar su combustible nuclear, estas estrellas expulsan sus capas exteriores formando una nebulosa planetaria y el núcleo que queda se enfría y compacta en una enana blanca.

2.--Estrella de Neutrones: Las estrellas con masas iniciales entre aproximadamente 8 y 20-25 veces la masa del Sol pueden evolucionar hacia estrellas de neutrones. Al final de su vida, estas estrellas experimentan una explosión de supernova, durante la cual el núcleo colapsa bajo su propia gravedad hasta convertirse en una estrella de neutrones, un objeto extremadamente denso compuesto principalmente por neutrones.

3.-Agujero Negro: Las estrellas con masas iniciales superiores a 20-25 veces la masa del Sol probablemente terminarán su vida como agujeros negros. Después de una explosión de supernova, si el núcleo residual es lo suficientemente masivo, puede colapsar más allá de una estrella de neutrones para formar un agujero negro.

Las estructuras disipativas

 

9.1. Definición de estructuras disipativas

Las estructuras disipativas son estructuras coherentes y autoorganizadas como sistemas abiertos alejados del equilibrio, que requieren un intercambio de energía y/o materia con su entorno para autosostenerse. Presentan un alto grado de orden, lo que provoca su irreversibilidad.

Ilya Prigogine recibió el Premio Nobel de Química por el descubrimiento de las estructuras disipativas, un concepto que supuso "una importante contribución al éxito de la ampliación de la teoría termodinámica a los sistemas fuera del equilibrio, que sólo pueden existir en conjunción con su entorno".

El concepto de estructuras disipativas conecta las ideas de orden y disipación de energía. Normalmente, la disipación de energía y materia se asocia con la pérdida y la progresión hacia el desorden. Sin embargo, en el caso de las estructuras disipativas, el alejamiento del equilibrio conduce a la creación de orden.

Ilya Prigogine:¹

Cuando nos desviamos demasiado de las condiciones de equilibrio, se originan nuevos estados de la materia. Llamo a estos casos estructuras disipativas porque presentan estructura y coherencia, y su mantenimiento implica la disipación de energía. Las características de una estructura disipativa no pueden deducirse de las propiedades de sus partes, sino que son consecuencias de la organización supramolecular.

Creemos que la organización supramolecular está determinada por la ley de la complejidad, que obliga a la nueva organización, más compleja, a contener más información. (principio de la complejidad-información)

Prigogine resume su teoría de las estructuras disipativas afirmando que dependen de flujos continuos de energía y recursos.

9.2. Las estructuras disipativas y la vida

 

 

Un organismo vivo, un árbol, que representa su papel en el aumento de la entropía. Los sistemas vivos mantienen el orden mediante un flujo constante de energía.

Fritjof Capra²: 

Un organismo vivo se caracteriza por un flujo y un cambio continuos en su metabolismo, en el que intervienen miles de reacciones químicas. El equilibrio químico y térmico existe cuando todos estos procesos se detienen... En otras palabras, un organismo en equilibrio es un organismo muerto. Los organismos vivos se mantienen constantemente en un estado alejado del equilibrio, en el estado de vida. A pesar de ser muy diferente del equilibrio, este estado es estable. Más lejos del equilibrio, los flujos son más fuertes... y puede encontrarse con inestabilidades que den lugar a nuevas formas de orden que alejen cada vez más el sistema del estado de equilibrio.

En otras palabras, lejos del equilibrio, las estructuras disipativas pueden desarrollarse hacia formas de complejidad creciente (siempre que sean capaces de tomar de su entorno la energía y la información disponible y adecuadas) ...

Cuanto más se aleja un sistema del equilibrio, mayor es su complejidad y el grado de no linealidad de las ecuaciones matemáticas que lo describen... Cerca del equilibrio, encontramos fenómenos repetitivos y leyes universales. A medida que nos alejamos del equilibrio, pasamos de lo universal a lo único, hacia la riqueza y la variedad. Esto, por supuesto, es una característica bien conocida de la vida.

A medida que se alejan del equilibrio y adquieren mayor complejidad, las leyes que rigen estas nuevas estructuras se vuelven más complejas, lo que proporciona un mayor grado de libertad y hace que su inducción sea considerablemente más difícil debido a la creciente cantidad de información que manejan. Investigadores como Stuart Kauffman sugieren que descubrir las leyes que rigen la vida y los ecosistemas es esencial y el estudio de las estructuras disipativas ejercerá un papel importante en este empeño.

9.3. Un enfoque complementario sobre las estructuras disipativas y la vida

Evidentemente como señalamos , somos estructuras disipativas, pero esta equivalencia debe ampliarse, especialmente cuando nos referimos al ser humano, porque aunado a depender de flujos de energía y materia, transformamos la materia en energía. Y también generamos procesos mentales. Para pensar hay que comer, decía Teilhard de Chardin.

Esta perspectiva "para pensar hay que comer", resalta una conexión profunda entre los procesos físicos y mentales, subrayando cómo los seres humanos, como estructuras disipativas, no sólo transformamos materia en energía para sostener nuestras funciones biológicas, sino que también utilizamos esa energía para alimentar procesos mentales complejos. Esta idea conecta la base material de nuestra existencia con la emergencia de fenómenos más abstractos, como la conciencia, el pensamiento y la creatividad.

Desde el punto de vista de la termodinámica y la biología, el cerebro humano es un consumidor intensivo de energía. Aunque constituye sólo alrededor del 2% del peso corporal, el cerebro puede consumir hasta el 20% del total de la energía requerida por el cuerpo en reposo. Esta energía, derivada de los procesos metabólicos que transforman los nutrientes en ATP³, es esencial para mantener la actividad eléctrica y química que subyace a nuestros pensamientos, emociones y comportamientos.

Los procesos mentales, como el pensamiento, la percepción y la memoria, dependen de la interacción compleja de neuronas, las cuales utilizan energía para generar y transmitir señales eléctricas y químicas. Esta dinámica no solo ilustra cómo la materia y la energía se transforman en procesos cognitivos y experiencias subjetivas, sino que también refleja la capacidad de los sistemas biológicos para generar orden, complejidad y novedad a partir de flujos de energía.

Además, la capacidad de transformar la energía en procesos mentales y, a su vez, utilizar esos procesos para interactuar con, interpretar y modificar nuestro entorno, destaca el papel único de los seres humanos como agentes activos dentro del cosmos. Esta interacción compleja entre energía, materia y conciencia subraya la visión de Teilhard de Chardin sobre la evolución como un proceso que no solo implica la materia física sino también el conocimiento emergente y la complejidad creciente hacia puntos cada vez más altos de orden y entendimiento.

Evolución química

14.1. Definición

La evolución química es una etapa crucial en la evolución cosmológica que describe cómo el universo no solo se expande y se enfría, sino que también se vuelve químicamente más complejo. Esta complejidad química es fundamental para la diversidad de mundos y potencialmente para el desarrollo de la vida tal como la conocemos. La evolución química es testimonio de la capacidad del universo para generar orden, creando las condiciones necesarias para la emergencia de sistemas complejos, como señala el estudio de la entropía y la termodinámica en la evolución del universo.

14.2. Etapas de la evolución química

Alrededor de 8.500 millones de años después del Big Bang, las estrellas más masivas y de vida más corta comenzaron a colapsar, produciendo elementos más pesados que el hidrógeno y el helio en el proceso, que fueron expulsados al espacio como nubes de gas y, en algunos casos, dependiendo de varios factores, formaron discos protoplanetarios alrededor de estrellas de 'segunda generación'. En otras palabras, en la evolución cósmica hay una bifurcación que conduce tanto a la evolución química orgánica como inorgánica y la evolución cosmológica continúa produciendo la variedad de cuerpos estelares conocidos, tales como todo tipo de estrellas, agujeros negros, nebulosas, planetas, asteroides, cometas, y más. Las siguientes etapas en la evolución química desde los átomos de hidrógeno pueden considerarse.

14.2.1.- Las reacciones nucleares tienen lugar en las estrellas, lo que provoca que los núcleos de los átomos de hidrógeno se combinen con los del deuterio para formar núcleos de helio. Esta reacción libera enormes cantidades de energía. Dependiendo de la temperatura y masa de la estrella, también pueden formarse átomos de litio y otros metales ligeros. La estrella se contrae.

14.2.2.- La contracción continúa al final de la liberación de energía, y la temperatura de la estrella aumenta nuevamente. Más allá de cierto umbral, comienza una reacción entre el hidrógeno, el litio y otros metales ligeros presentes en el cuerpo de la estrella, produciendo los primeros elementos no metálicos como el carbono (C), oxígeno (O) y nitrógeno (N). Nuevamente, se libera energía y la contracción se detiene.

14.2.3.- Cuando el litio y otros materiales ligeros se consumen, la contracción se reanuda, y la estrella entra en la etapa final de su desarrollo en la cual el hidrógeno se transforma en helio a temperaturas notablemente altas gracias a la acción catalítica del carbono y el nitrógeno. Esta reacción termonuclear es característica de la secuencia principal de estrellas y continúa hasta que todo el hidrógeno se consume.

14.2.4.- La estrella se convierte en una gigante roja y alcanza su mayor tamaño cuando todo su hidrógeno central ha sido convertido en helio. Si continúa brillando, la temperatura del núcleo debe aumentar lo suficiente para producir la fusión de los núcleos de helio. Durante este proceso, la estrella probablemente se convierta en mucho más pequeña y densa.

14.2.5.- Cuando ha gastado todas las posibles fuentes de energía nuclear, se contrae nuevamente y dependiendo de su masa se convierte en una estrella más pequeña, una enana blanca, una estrella de neutrones o incluso un agujero negro. Esta etapa final puede estar marcada por explosiones conocidas como novas o supernovas, que ocurren cuando la estrella se desprende de su capa exterior y devuelve elementos al medio interestelar, más pesados que el hidrógeno, que ha sintetizado en su interior. Hasta la fecha, se han detectado muchos elementos pesados como el estroncio, la plata y el oro en algunas explosiones de supernova.

14.2.6.- Las generaciones de estrellas formadas a partir de este material comenzarán sus vidas con un surtido más rico de elementos pesados que la generación anterior. Las estrellas que desprenden sus capas exteriores de manera no explosiva se convierten en nebulosas planetarias, estrellas viejas rodeadas por esferas de gas que irradian en un rango múltiple de longitudes de onda.

14.2.7.- Los elementos más pesados de la tabla periódica, incluidos los radiactivos como el uranio, no formaron parte de la composición inicial del universo; se forjaron en las condiciones extremas de las explosiones estelares y las colisiones cósmicas. Es decir, en supernovas y fusiones de estrellas de neutrones.

14.3. La detección de los elementos pesados

Por primera vez, un elemento pesado recién formado, el estroncio, se ha detectado en el espacio. Ha sido tras la fusión de dos estrellas de neutrones y fue observado por el espectrógrafo X-shooter de ESO, instalado en el VLT (Very Large Telescope). La detección confirma que los elementos más pesados del universo pueden formarse en fusiones de estrellas de neutrones, proporcionando una de las piezas que faltaban al rompecabezas de la formación de elementos químicos. Estos resultados fueron publicados en la revista Nature.

14.4. Evolución de la química orgánica

Cuando el carbono surge en una bifurcación de la evolución química, también emergen las leyes de la química orgánica. Según el investigador John Oró,¹ la formación de carbono ocurre dentro de las estrellas a cien millones de grados Celsius en una reacción de probabilidad excepcionalmente baja donde tres núcleos de He colisionan y se condensan dando lugar a un núcleo de 12C. Algunas estrellas son ricas fuentes de compuestos de carbono y moléculas orgánicas. Los núcleos de N se generan catalíticamente en las estrellas, pero mediante un proceso diferente, el ciclo C, O, N. La formación de otro elemento biogénico, P (fósforo), requiere muchas reacciones nucleares complejas, lo que explica su baja abundancia en el cosmos. Las estrellas en las que se produce carbono también son generadoras de compuestos orgánicos y moléculas. Los elementos biogénicos que se forman en la parte central de estas estrellas emigran a las regiones exteriores más frías. Allí, las reacciones químicas más comunes dan lugar a las combinaciones más elementales de dos y tres átomos, produciendo compuestos que pueden ser observados en las atmósferas estelares. Entre las especies moleculares más comúnmente detectadas presentes en las atmósferas de las estrellas de secuencia principal están: C2, CN, CO, CH, NH, OH, y una de gran importancia, H2O. Recientemente se han descubierto más moléculas en nubes de polvo interestelar, incluyendo las moléculas de propenal de ocho átomos (C3H4O), y la molécula de propanal de 10 átomos (C3H6O), probablemente marcas de la evolución química en el espacio. Más de cien especies químicas han sido identificadas en el medio interestelar por los espectros moleculares distintivos de su fase gaseosa. Todas estas moléculas, iones y radicales son relativamente simples, y la mayoría de ellas están compuestas por unos pocos átomos. Aproximadamente el 75% de las especies conocidas ahora son orgánicas, es decir, contienen átomos de carbono o carbono unido al hidrógeno. Los elementos biogénicos son los elementos reactivos más abundantes en el universo; además, la mayoría de las moléculas interestelares conocidas contienen carbono.

14.5. La vida, implícita en el universo

Por lo tanto, Oró afirma, podemos razonablemente decir que, en esencia, el universo es orgánico, completamente preparado para que la vida emerja donde y cuando las condiciones lo permitan. Los procesos de evolución de la materia son parcialmente conocidos por la ciencia (física cuántica, cosmología, termodinámica, química inorgánica, etc.), y también lo son las leyes que los gobiernan. Encontrar todas las leyes fundamentales, así como las leyes emergentes más complejas, debería ser el principal objetivo de la ciencia. El biólogo Jordi Bascompte² considera que la vida es casi inevitable cuando ocurren las condiciones límite correctas y, por lo tanto, es muy probable que, dado el considerable número de planetas con las condiciones adecuadas, se pueda esperar que haya vida en otros planetas. Por ahora, el conocimiento que tenemos indica que la evolución química fue un pilar fundamental en la evolución de la materia hacia la vida. La gran mayoría de los elementos químicos existentes en la Tierra están presentes en el cuerpo humano. Nos damos cuenta de que la naturaleza tiende a buscar estados de equilibrio. Si la presencia de cierto elemento es alta, es lógico pensar que su estructura es equilibrada y, por lo tanto, más probable.

Dos recientes descubrimientos nos confirman lo aseverado por Jordi Bascompte:

Los astrónomos han detectado las moléculas orgánicas conocidas más lejanas del universo utilizando el telescopio espacial James Webb. Es la primera vez que el Webb detecta moléculas complejas en el universo lejano. Las moléculas complejas se encontraron en una galaxia conocida como SPT0418-47, situada a más de 12,000 millones de años luz. El descubrimiento ilustra las interacciones químicas que se produjeron en las primeras galaxias del universo y su relación con la formación de estrellas.

En la Tierra, estas moléculas, denominadas hidrocarburos aromáticos policíclicos, se encuentran en el humo, el hollín, la niebla tóxica, los gases de escape de los motores y los incendios forestales.

La base de las moléculas orgánicas es el carbono, considerado uno de los componentes básicos de la vida porque es un elemento clave de los aminoácidos, que forman las proteínas. La luz de la polvorienta galaxia comenzó a viajar por el cosmos cuando el universo tenía menos de 1,500 millones de años, apenas un poco más del 10% de su edad actual, 13,800 millones de años.

Según un nuevo estudio, los astrónomos han detectado los ejemplos más antiguos conocidos de moléculas orgánicas complejas en el universo. Los científicos han hallado en el centro de la galaxia los inicios de una química portadora de vida. Se ha detectado isopropilcianuro en una nube de formación estelar a 27,000 años luz de la Tierra. Su estructura de carbono ramificado se asemeja más a las complejas moléculas orgánicas de la vida que cualquier otro hallazgo anterior en el espacio interestelar. El descubrimiento sugiere que los componentes básicos de la vida pueden estar muy extendidos por nuestra galaxia.

Se han descubierto varias moléculas orgánicas en el espacio interestelar, pero el cianuro de i-propilo es la primera con una columna vertebral de carbono ramificado. La estructura ramificada es importante, ya que demuestra que el espacio interestelar podría ser el origen de moléculas ramificadas más complejas, como los aminoácidos, necesarios para la vida en la Tierra.³

Según el estudio, estas sustancias químicas, muy parecidas a las que se encuentran en el humo y el hollín de la Tierra, residen en una galaxia primitiva que se formó cuando el universo tenía aproximadamente el 10% de su edad actual.

Las moléculas, basadas en el carbono, técnicamente conocidas como hidrocarburos aromáticos policíclicos, se encuentran en los depósitos de petróleo y carbón de la Tierra, así como en el smog.

"Las moléculas que encontramos no son simples cosas como agua o dióxido de carbono", dijo a space.com el autor principal del estudio, Justin Spilker, astrónomo de la Universidad A&M de Texas en College Station. "Se trata de moléculas grandes y flexibles con docenas o cientos de átomos".⁴

14.6. Comunicación química

“De la misma manera que las invenciones útiles son adoptadas rápidamente por los grupos humanos, la comunicación química tuvo que haber sido adoptada rápidamente por los organismos unicelulares mediante transmisión genética horizontal y el mecanismo evolutivo… La comunicación química fue uno de los factores que permitieron el salto de los organismos unicelulares a la multicelularidad, pero también continuó siendo utilizada entre los organismos multicelulares con el fin de comunicarse entre sí y con su medio ambiente”.⁵

Notas:

1. Oró, John. Historical Understanding of Life’s Beginnings. En Life’s Origin, ed. William Schopf. University of California Press, Berkley-Londres, 2002.

2.  Jordi Bascompte Sacrest ​ es un biólogo, ecólogo, investigador y catedrático universitario español.

3. “El Webb realiza la primera detección de molécula crucial de carbono”, https://www.nasa.gov/universe/webb-makes-first-detection-of-crucial-carbon-molecule/ 

4. "James Webb Space Telescope Spies Earliest Complex Organic Molecules in the Universe”. Acceso en https://www.space.com/james-webb-space-telescope-earliest-complex-organic-molecules

5. Herrera Paz, Edwin Francisco. Superorganismo universal. Una teoría de la evolución hacia la complejidad

El Universo y su evolución

El [Universo como]  “sistema”  es inmediatamente perceptible a cualquier observador de la naturaleza… Cada elemento del Cosmos está positivamente entretejido con todos los demás… Es imposible romper esta red, imposible aislar una sola de sus piezas sin que se deshilache toda ella y se deshaga por todos sus extremos…el Universo se sostiene por su conjunto. Y no existe más que una sola manera realmente posible de considerarlo: es la de considerarlo todo él como un solo bloque. –Teilhard de Chardin.

11.1. El Universo como sistema

De acuerdo con la clasificación de sistema que hemos formulado, el Universo es un sistema:

a.- Cerrado

b.- Complejo

c.- Adaptativo, considerando su comportamiento y las características discutidas en el capítulo sobre sistemas complejos

d.- Determinista, aunque abarca subsistemas probabilísticos

e.- No lineal

f.- Dinámico

La finalidad del Universo es la producción de información/conocimiento como energía, que intercambia con un entorno global, a saber, el meta universo del que surgió. Tanto el universo como sus subsistemas tienen transitoriedad o temporalidad, un principio y un fin.

Esta definición implica, según la teoría general de sistemas,  que el sistema debe ser identificable por su coherencia fenomenológica: debe responder a un conjunto de observaciones relativas a un sector de la realidad concreta y a la predisposición de sus elementos a interactuar, claramente reconocibles.

Los científicos de la corriente oficial consideran al Universo como un conglomerado de elementos carentes de la planeación necesaria para lograr un objetivo o meta. Por eso, es difícil para ellos evaluar una configuración teórica como un sistema de lo que consideran garabatos, aunque esos garabatos y sus relaciones puedan ser descritos con gran amplitud.  Sin embargo, su interpretación no se sostiene. El Universo como sistema ha probado ser útil desde el momento que ha dado origen a otros sistemas útiles. Con este razonamiento cabe especular que en su origen el sistema tuvo unas condiciones iniciales que conllevan un propósito.

11.2. El Universo como computadora cuántica

La idea de que el Universo puede ser conceptualizado como una gigantesca computadora cuántica es una interesante fusión de la mecánica cuántica, la teoría de la información y la cosmología. Esta perspectiva sugiere que, desde sus inicios, el Universo ha estado procesando información a través de bits y qubits, los elementos básicos de la información clásica y cuántica, respectivamente. Aquí hay algunos aspectos clave de esta teoría:

1.- Qubits Cósmicos: En esta visión, el Universo se compone de qubits, que son análogos cuánticos de los bits clásicos, pero con la capacidad de existir en superposiciones de estados. Cada partícula, interacción y evento podría considerarse como una operación de procesamiento de información cuántica.

2.- Computación Cuántica del Universo: La idea central es que todas las interacciones y cambios en el Universo pueden entenderse como operaciones de cómputo. Esto incluye desde fenómenos a nivel subatómico hasta la evolución de galaxias. La física de partículas, la gravedad, y todas las leyes naturales podrían interpretarse como algoritmos cuánticos en acción.

3.-Entrelazamiento en Escala Cósmica. Si el Universo funciona como una computadora cuántica, entonces el fenómeno del entrelazamiento cuántico podría ser fundamental en su estructura y evolución, conectando partes distantes del cosmos de maneras no evidentes a nivel macroscópico.

En resumen, la idea del Universo como una computadora cuántica propone una visión del cosmos donde la información y su procesamiento cuántico son fundamentales para entender su origen, estructura y evolución. Combina conceptos de física, informática y filosofía para ofrecer una perspectiva única sobre la naturaleza del Universo.

Es importante señalar que, aunque esta teoría es fascinante y se apoya en principios científicos sólidos, aún se encuentra en el ámbito de la especulación y la investigación teórica. No todas sus implicaciones han sido confirmadas experimentalmente.

11.3. Definición de evolución del Universo

Al igual que la mayoría de los científicos que tratan el tema, la definición que da Eric Chaisson ofrece una perspectiva centrada en lo material, viendo la evolución del Universo, que él llama cósmica, como la historia de todos los cambios desde el Big Bang hasta ahora. Estos cambios han dado origen a todo, desde galaxias hasta estrellas y vida. Para Chaisson, la evolución cósmica es una serie de transformaciones que llevan a estructuras más complejas y ordenadas, aunque el desorden general del universo sigue incrementándose. 

Teilhard de Chardin sugiere que las energías que impulsan la evolución del universo se dividen en dos tipos: materiales y mentales. Las energías materiales son las que conocemos a través de la ciencia tradicional. Pero para entender la evolución en su totalidad, necesitamos considerar también la energía mental, que es más abstracta e incluye cosas como las leyes dela física, química, biología, la información y el conocimiento

La evolución del Universo, según nuestra perspectiva, es un proceso en el cual la información básica, tanto en forma de bits (para sistemas clásicos) como de qubits (para sistemas cuánticos), da origen a una amplia variedad de sistemas. Estos sistemas pueden ser tanto materiales como inmateriales, incluyendo aspectos mentales, y se caracterizan por su capacidad de interactuar entre sí, tendiendo a incrementar su complejidad con el tiempo.

En este proceso, todos los sistemas desempeñan, en distintos grados, funciones esenciales como recibir, almacenar, procesar y transmitir información. Este dinamismo de la evolución del Universo se asemeja a un proceso caótico, ya que es altamente sensible a las condiciones iniciales y alterna entre periodos de orden y desorden. En este flujo evolutivo, emergen múltiples bifurcaciones, es decir, puntos donde el sistema puede tomar diferentes caminos o direcciones. Finalmente, se sugiere que el universo podría encaminarse hacia un estado de atractor, un tipo de orden final donde sólo el conocimiento perdura. 

11.4. Energía mental

Insistiendo, el concepto de energía mental que abordamos en este libro está totalmente separado de su uso popular, como representante de fuerzas sobrenaturales, psíquicas o seudocientíficas. 

Michael Levin, creador de los anthrobots, sostiene que:

"La física sólo ve mecanismos, no mentes, porque utiliza herramientas de baja acción (voltímetros y reglas y cosas así), y se necesitan detectores de mayor acción (es decir, otras mentes) para detectar la cognición a varios niveles."

11.5. Fases principales de la evolución del Universo que conducen al Homo sapiens

Cada parte del universo, desde una estrella hasta un ser humano, sigue las mismas reglas en su propio camino de evolución.

Nos centraremos en la línea evolutiva del ser humano que incluye todas las fases de la evolución del universo, que pueden sintetizarse como sigue:

1.-Evolución cosmológica: Desde el Big Bang  hasta la formación de planetas. Y en el futuro, hasta la desaparición de la materia. Esta fase es la base de donde derivan todas las demás fases evolutivas que trataremos separadamente. 

2.-Evolución cuántica: Desde el Big Bang hasta la formación de los primeros átomos.

3.-Evolución Química: Desde los átomos más simples hasta átomos más complejos y sus interacciones. Sigue su evolución, pero se bifurca dando lugar a:

4.-Evolución Química Orgánica: Desde átomos de carbono hasta moléculas orgánicas y agua. Continúa su evolución pero se bifurca hacia:

5.-Evolución Biológica: Desde el origen de la vida  hasta la aparición de los seres humanos.

6.-Evolución Humana: Desde los primeros seres humanos hasta la formación de sociedades.

7.-Evolución Social: Desde las primeras sociedades hasta la sociedad moderna.

Cada una de estas etapas nos da una pieza del rompecabezas que es la evolución del universo, y entenderlas nos ayuda a comprender mejor nuestro lugar en este gran y complejo sistema.

El tiempo

El tiempo, esa constante enigmática que fluye y nos envuelve, es la urdimbre sobre la cual se teje la evolución del cosmos. Es en su curso que la complejidad se despliega, la entropía se incrementa y la historia del universo se escribe en ciclos de creación y transformación

Al tratar la evolución es inevitable aludir al tiempo. Debemos tocar algunos aspectos del concepto de tiempo, teniendo en cuenta que hay varios "tiempos", y es necesario aclarar a qué "tiempo" nos referimos cuando hablamos de evolución.

8.1. El tiempo según Zubiri

El filósofo español Xavier Zubiri¹ expuso de forma notable los caracteres del tiempo considerado como una línea temporal. Esta descripción puede resumirse como sigue:

La línea temporal es una línea compuesta por momentos que transcurren (avanzan). Los momentos que la componen se llaman "presentes", que son puntos que transcurren en la línea temporal. El "presente" no es temporal. Los "presentes" de la línea temporal no forman un conjunto infinito, como la línea espacial, sino que forman un conjunto infinito que pasa, que discurre, es decir, sólo el presente es actual. Los 'presentes' de esta línea muestran una conexión de continuidad, de apertura, de aperiodicidad, de orden, una dirección irreversible, y una métrica... para conceptualizar la continuidad de un conjunto de puntos... las matemáticas actuales consideran cualquier punto de un conjunto. Este punto divide este conjunto en dos subconjuntos, uno a la derecha y otro a la izquierda del punto elegido, es decir, constituye un corte en el conjunto. Y esta división tiene la propiedad de que pertenece al conjunto total, y que en el subconjunto de la izquierda no hay ningún punto que sea el último, ni en el subconjunto de la derecha hay ninguno que sea el primero.

8.2. El tiempo en la física clásica

El tiempo de la física clásica tiene un valor absoluto, es decir, es una magnitud que transcurre de la misma manera para todos los fenómenos. Además, es crucial señalar que el tiempo en este contexto no tiene una dirección definida, es reversible. El tiempo es una línea que se expresa gráficamente como un eje de coordenadas y constituye el marco de referencia básico para el estudio de los fenómenos físicos.

8.3. El tiempo en la relatividad

En la física relativista, el tiempo, junto con el espacio, forma el tejido del universo, y "ambos pueden distorsionarse como si fueran plastilina,”² En este campo, el tiempo es un concepto complejo porque está ligado a la posición del observador del evento y a su estado en movimiento, lo que significa que el tiempo es relativo. Los observadores que difieren en su posición y movimiento diferirán en su medición del tiempo de un suceso, por lo que el tiempo siempre dependerá del sistema de referencia del observador.

En el tiempo de la relatividad, se produce un fenómeno que parece contrario a la intuición: a medida que aumenta la velocidad del observador, el tiempo se ralentiza. De hecho, si se pudiera viajar a la velocidad de la luz, el tiempo dejaría de transcurrir por completo. Sin embargo, reflexionando sobre la conclusión de que el tiempo fluye a la velocidad de la luz, siempre en la dirección del objeto que viaja, si éste alcanzara la velocidad de la luz, el tiempo "no pasaría" para él.

8.4. El tiempo en la mecánica cuántica

En la mecánica cuántica, el tiempo es considerado como un parámetro externo, no como una variable cuántica en sí misma, lo que ha llevado a algunos teóricos a cuestionar si esta es una descripción completa o si debiera haber una teoría cuántica del tiempo. Además, la mecánica cuántica y la relatividad general tienen concepciones muy diferentes del espacio y el tiempo.

8.5. El tiempo como duración

Henri Bergson creía que reducir el tiempo al espacio, como hacen los relojes, era una traición al tiempo. Los relojes sólo miden otros relojes; sólo pueden comprender el tiempo a través del espacio, ya sea el que recorre la Tierra alrededor del Sol o las transiciones del átomo de cesio. El tiempo real era el tiempo interno, que él llamaba "duración". Y si la ida se siente más larga que la vuelta, aunque en nuestro cronómetro marquen lo mismo, el viaje ha durado más. La experiencia cualitativa del sujeto prima sobre la experiencia cuantitativa de la máquina.

La duración, según Henri Bergson, es un tiempo heterogéneo, es un movimiento constante desprovisto de toda medida fijada por el hombre, es un horizonte de apertura hacia lo nuevo y su carácter esencial es el tiempo que transcurre entre el principio y el fin de algo, entendido como invención y creación.

8.6. Resumen

Algunos científicos piensan que no podemos explicar qué es el tiempo, pero dada la dificultad de realizar un experimento físico que demuestre el paso del tiempo, se acentúa una sospecha: puede ser que el tiempo esté hecho por nosotros, es decir, que sería un atributo de nuestra mente.

Creemos que el tiempo no es un atributo de nuestra mente, sino que la mente lo capta y lo transforma en una duración.

De los conceptos establecidos anteriormente, podemos deducir que el tiempo en el universo es la duración dentro del tiempo eterno; y, fractalmente, el tiempo de los sistemas del universo es la duración dentro de la duración universal.

Por tanto, consideraremos que el tiempo de evolución es una duración y tiene una dirección, del pasado al futuro.

8.7. La flecha del tiempo

El paso del tiempo se ha comparado con el vuelo de una flecha y con una corriente siempre en movimiento, que nos lleva inexorablemente del pasado al futuro.

Paul Davies

Independientemente de su forma u orientación, dicha flecha representa una guía intelectual de la secuencia de acontecimientos que han cambiado los sistemas de la simplicidad a la complejidad, de lo inorgánico a lo orgánico, del caos al orden.”

Sin embargo, esto es cierto sólo en la fase de crecimiento de los sistemas, ya que la flecha del tiempo es la "dirección unidireccional" o "asimetría" del tiempo. La flecha termodinámica del tiempo la proporciona la segunda ley de la termodinámica, que establece que, en un sistema aislado, la entropía tiende a aumentar con el tiempo.³

En las obras de S. Hawking, la flecha del tiempo no tiene la importancia ni el alcance que tiene en las tesis de Prigogine. Toda la obra de este último gira en torno a esta idea porque privilegia el devenir y no el ser, el tiempo y no la eternidad, el desorden más que el orden. Esta idea estaría suponiendo la distinción entre un "antes" y un "después" y, por tanto, una dirección de la evolución cósmica. Para Hawking hay tres flechas del tiempo: la "termodinámica", que apunta al crecimiento de la entropía; La "psicológica", que nos permite recordar el pasado y no el futuro, dando una dirección al flujo de la conciencia; y la "cosmológica", que va en la dirección de la expansión del Universo. Según Hawking, estas tres flechas apuntan en la misma dirección.⁴

Eric Chaisson

Al fin y al cabo, esta flecha aparece como la característica común a todos los objetos de la burbuja en expansión que es nuestro universo. Todos envejecemos en la misma dirección; todas las estrellas, todas las rocas envejecen en la misma dirección, aunque el mecanismo de envejecimiento sea diferente en cada caso.

El tiempo, mejor dicho, la dirección del tiempo es la dimensión existencial fundamental de la vida humana. Ahora descubrimos que el flujo del tiempo es universal. El tiempo ya no separa a los hombres de la naturaleza.⁵

Ilya Prigogine

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1

Zubiri, Xavier. El concepto descriptivo del tiempo. Realitas II, 1974-75, pp. 7-47.

2

Herrera Corral, Gerardo. Agujeros negros y ondas gravitacionales. Una mirada profunda al Universo. Editorial Sexto Piso, 2019.

3

Chaisson, op. cit.

4

Massuh, Victor. La flecha del tiempo. Editorial Sudamericana, 1994.

5

Kondepudi, Dilip y Prigogine, Ilya. Modern Thermodynamics. From Heat Engines to Dissipative Structures. John Wiley & Sons. 1998.

La termodinámica en la evolución cosmológica

13.1. El enfriamiento del Universo 

El enfriamiento del Universo a medida que se expande. Es un proceso termodinámico. Este fenómeno se relaciona con los principios básicos de la termodinámica y la física estadística. Vamos a desglosarlo: 

13.1.1.-Expansión del Universo

Desde el Big Bang, el Universo ha estado en constante expansión. Esta expansión significa que la densidad de la materia y la radiación en el Universo ha disminuido con el tiempo.

A medida que el Universo se expande, la energía de la radiación (como la luz del fondo cósmico de microondas) se estira. Las longitudes de onda de esta radiación se alargan, lo que implica una disminución en su energía y, por tanto, en su temperatura. Esto es análogo a lo que sucede en la expansión adiabática de un gas, donde la expansión lleva a una reducción de la temperatura. 

13.1.2.-Ley de la Conservación de la Energía

En termodinámica, la primera ley (la ley de la conservación de la energía) sostiene que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. En el contexto del Universo en expansión, la energía total se conserva, pero se 'diluye' a medida que el espacio se expande. 

13.1.3.-Segunda Ley de la Termodinámica: 

Esta ley establece que, en un sistema aislado, la entropía (desorden) no disminuye. El Universo, considerado como un sistema aislado, tiende a un estado de mayor entropía. A medida que se expande y se enfría, la distribución de energía se vuelve más uniforme, lo que aumenta la entropía. 

La segunda ley también nos parece destructiva porque limita la duración de los sistemas. Sin embargo, es necesaria para recuperar toda la información que producen y conservan  los sistemas durante su tiempo de funcionamiento

En resumen, la expansión y el consiguiente enfriamiento del Universo son procesos que pueden entenderse y describirse utilizando los principios de la termodinámica. Estos procesos son fundamentales para nuestra comprensión de la cosmología y la física del Universo a gran escala. 

13.2.  La termodinámica en el inicio del Universo

El Big Bang es el comienzo del tiempo (duración) del Universo material. En las etapas iniciales de la expansión del universo (durante las épocas de Planck y de la gran unificación) prevalece el equilibrio termodinámico, pero a medida que se produce la expansión, la tasa de equilibrio disminuye con respecto a la tasa de expansión, estableciéndose condiciones de no-equilibrio. En este caso, la expansión cósmica produce una diferencia de temperatura entre dos componentes homogéneos del medio cósmico. Consideramos que el universo evolucionó a partir de un estado extremadamente caliente y de máxima densidad, como indica el modelo del Big Bang. Las leyes de la termodinámica desempeñan un papel fundamental en la evolución cosmológica: Generan el "entorno" necesario para que el universo compute obteniendo resultados cada vez más complejos. En concreto, la segunda ley está íntimamente relacionada con la información y no es, como se ha considerado, una ley puramente destructiva. Los humanos, como observadores, perdemos momentáneamente parte de la información de los sistemas, tanto mientras funcionan como cuando terminan su vida útil. Si lo analizamos desde la perspectiva de la teoría de la información cuántica, nos damos cuenta de que la información no se pierde, se almacena en el espacio en los campos correspondientes a su "densidad" y/o complejidad. La evolución de la materia está íntimamente relacionada con la complejidad en una relación directamente proporcional. Y al estar relacionada a la complejidad, lo está con la información. Un sistema contiene información en relación inversa a su temperatura. 

13.3. La temperatura a través de la evolución cosmológica

Las ligas (información) entre los principales componentes de los sistemas se hacen más fuertes cuando el sistema aumenta su complejidad. La temperatura también regula la aparición de los enlaces o fuerzas de unión (información) de los sistemas a distintas temperaturas. 

1.-La temperatura oscila entre 10³² y 10¹⁰ K. Esta es la temperatura durante los primeros diez segundos tras el Big Bang. A esta temperatura, el movimiento térmico de protones y neutrones es tan violento que ni siquiera la fuerza nuclear fuerte puede mantenerlos unidos. Los pares electrón/positrón aparecen y desaparecen espontáneamente y están en equilibrio térmico con la radiación. El umbral para producir pares electrón/positrón es de aproximadamente 6 x 10⁹ K.

2.-La temperatura oscila entre 10⁹ y 10⁷ K. Alrededor de 10⁹ K, los núcleos comienzan a fusionarse y se producen reacciones nucleares. Estas temperaturas se dan en estrellas y supernovas, donde los elementos más pesados se sintetizan a partir de H y He a temperaturas comprendidas entre 10⁶ y 10⁴ K. En este rango, los electrones se unen al núcleo para formar átomos, pero las fuerzas de unión entre los átomos no son lo suficientemente fuertes como para formar moléculas estables. La materia existe como electrones y núcleos libres, un estado de la materia llamado plasma. 

3.-La temperatura oscila entre 10⁴ y 10 K. Las reacciones químicas tienen lugar en este intervalo. Las energías químicas son del orden de 100 kJ/mol. La energía del enlace C - H es de unos 412 kJ/mol. A temperaturas  del orden de 10³ K, los enlaces químicos comienzan a romperse. Las fuerzas intermoleculares, como el enlace de hidrógeno, son del orden de 10 kJ/mol. 

13.4. las fuerzas vinculantes y la temperatura

Considerando que las fuerzas vinculantes son portadoras de información básica, podemos estipular: 

La cantidad de información en los enlaces entre los elementos de los sistemas es inversamente proporcional a la temperatura a la que se forman. 

Por lo tanto, el tipo de enlace determina la complejidad del sistema, ya que le proporciona información adicional para que surjan sus nuevas propiedades. Dado que al principio del universo la mayor parte de la información permanecía como simples bits, comenzó simultáneamente una evolución de la energía oscura que los contiene. De forma similar a la evolución de la materia, la energía oscura funciona como un gran ordenador al que entran los datos obtenidos de las salidas de los sistemas materiales. En esta etapa, los resultados del cálculo de la energía oscura son nuevas leyes de la física y la química, que rigen los sistemas materiales que surgen en cada paso de la evolución cósmica.

13.5. Conclusión

Por ahora, la evolución cosmológica sigue sujeta a las leyes de la termodinámica y a leyes derivadas del principio de complejidad-información, como la ley de potencia de Gutenberg-Richter que rige, entre otros fenómenos, los terremotos y las erupciones estelares. Por ejemplo: Aunque en el campo de la cosmología el Sol se considera una estrella más bien tranquila, ahora se sabe que en un pasado no muy lejano golpeó nuestro planeta con enormes erupciones. De vez en cuando, nuestra estrella local produce inmensas llamaradas de partículas y radiación que alcanzan la Tierra. Durante los últimos años, científicos de todo el mundo han estudiado estos fenómenos, así como la forma en que afectan a nuestro planeta, y se han centrado en un evento único, conocido como el Evento Carrington, la tormenta geomagnética solar de 1859. Durante el Evento Carrington, a finales de agosto, pudieron observarse auroras en latitudes insospechadas, hasta la misma Colombia. El pico de intensidad de la mayor erupción solar se produjo a principios de septiembre y provocó fallos en las redes de telégrafo en toda Europa y Norteamérica. El campo magnético de la Tierra se deformó completamente y permitió la entrada de partículas solares en nuestra atmósfera. Si este acontecimiento no fue más desastroso para nuestra civilización es porque aún estábamos en los preámbulos tecnológicos. Si ocurriera hoy, los satélites y las comunicaciones dejarían de funcionar, y los apagones se produciría a nivel planetario, sin interrupción durante semanas.

Los principios primordiales

En los vastos entramados del Universo, los principios son las verdades fundamentales que sostienen su estructura, las leyes son las descripciones precisas de su comportamiento, y las reglas son los algoritmos sencillos que, en su repetición, generan la infinita complejidad de la existencia.

10.1. Principios, leyes y reglas

10.1.1 Principios

Teniendo en cuenta que, en general, los principios se refieren a fundamentos sobre el funcionamiento de una ideología, teoría, doctrina, religión o ciencia, los principios en el concepto utilizado en este trabajo se consideran el origen de leyes y reglas que sustentan la teoría propuesta, sirviendo como cimientos básicos para la comprensión de la evolución del universo.

10.1.2. Leyes 

Las leyes son el acebo de los principios primordiales que se han deducido a través de la observación y la experimentación científica. Las leyes describen fenómenos consistentes y predecibles del universo. Por ejemplo, la ley de la gravitación de Newton explica cómo los objetos físicos se atraen mutuamente con una fuerza que depende de su masa y la distancia entre ellos.

10.1.3. Reglas

Las reglas pueden considerarse leyes con amplio grado de libertad. Stephen Wolfram, introdujo un concepto innovador de "regla", utiliza este término para describir algoritmos o conjuntos de instrucciones simples que, cuando se aplican repetidamente, pueden generar patrones complejos y comportamientos sorprendentes en sistemas computacionales.

Reglas muy simples pueden dar lugar a estructuras y/o comportamientos extremadamente complejos. Esto es notable en los autómatas celulares, como el famoso "Juego de la Vida" de Conway, donde reglas básicas sobre cómo las células viven, mueren o se reproducen pueden crear patrones dinámicos y evolutivos. Wolfram argumenta que incluso con reglas simples, algunos sistemas pueden alcanzar lo que él llama "universalidad computacional", lo que significa que tienen la capacidad de realizar cualquier cálculo que cualquier otro sistema computacional pueda hacer. Esto sugiere que la complejidad en la naturaleza podría ser el resultado de reglas simples que actúan a diferentes niveles.

Muchos fenómenos complejos en la naturaleza, desde la formación de patrones en las conchas de los caracoles hasta los procesos de evolución biológica, podrían ser el resultado de reglas subyacentes simples.

Las reglas son las causantes de los comportamientos estocásticos (procesos cuya evolución es aleatoria) de los sistemas, además, si no son las correctas pueden volverse agentes entrópicos para los sistemas.

10.2. Los principios primordiales

Como principios fundamentales, pilares de la evolución estableceremos los siguientes, teniendo en cuenta que los tres están íntimamente relacionados por lo que, al definirlos, caemos inevitablemente en una tautología. 

-Principio de complejidad-información

-Principio de entropía (segunda ley de la termodinámica) 

-Principio de los sistemas complejos

10.2.1 El principio de “Complejidad-Información”

En todo sistema, la complejidad de su estructura es directamente proporcional a la cantidad de información y  conocimiento que recibe, almacena, procesa y transmite.

Como hemos señalado antes, uno de los principales problemas al abordar la evolución es el conflicto paradójico entre lo teóricamente "destructivo" de la segunda ley de la termodinámica y la observación de lo "constructivo" en la evolución cósmica. Y este problema se deriva, en nuestra opinión, de la negativa de gran parte de la ciencia mainstream a aceptar este principio constructivo y las leyes que rigen la naturaleza. 

Este principio, inspirado en el concepto de Teilhard de Chardin de "complejidad y conciencia", es crucial en nuestro estudio. Plantea que la complejidad de cualquier sistema está directamente relacionada con la cantidad de información y conocimiento que este sistema recibe, almacena, procesa y transmite. Aunque originalmente se hablaba de "conciencia", hemos adaptado el término para enfocarlo en la complejidad y la información ya que la conciencia ha sido tortuosa de definir porque aún no forma parte del conocimiento científico. Por ejemplo, el biólogo Michael Levin¹ afirma que definir y estudiar de manera metódica la conciencia implicaría un cambio profundo en el investigador mismo.  

EL principio abarca leyes que permiten el crecimiento y desarrollo de los sistemas materiales y mentales desde sus etapas más básicas hasta alcanzar un nivel de orden, en los sistemas, que pueda ser desorganizado por la entropía.  Los sistemas mentales pueden ser afectados por la entropía, sin embargo, el conocimiento siempre aumenta y cuando se pierde es sólo para el observador. 

Este principio incluye leyes de diversas disciplinas como la física cuántica, la gravedad, la química, la termodinámica y la biología.

10.2.2. Principio de la entropía (de la segunda ley de la termodinámica)

La segunda ley de la termodinámica, también conocida como la ley de la entropía, establece:  En un sistema aislado, la entropía nunca disminuye.

Este principio se refiere a la tendencia natural de los sistemas hacia el desorden, un concepto fundamental en la termodinámica y que aplica a todo sistema material, pero condicionado a su interacción con el principio de ‘complejidad-información’.

10.2.3.  Principio de los sistemas complejos

Todos los sistemas que conforman el Universo son finitos con su propia duración y su funcionamiento está gobernado por los principios  de la complejidad-información y de la entropía

Este principio aborda cómo los sistemas complejos se comportan y evolucionan.  

Los 3 principios, aunque distintos, están profundamente interconectados. La complejidad surge de la interacción entre las partes y el flujo de información, mientras que la entropía guía y limita cómo estas interacciones pueden ocurrir. Juntos, forman un marco para entender el desarrollo y evolución del Universo, desde el punto de vista de la física, la termodinámica y la teoría de la información.

Esta perspectiva se aleja de la física tradicional y abraza conceptos de la física cuántica y la termodinámica, proporcionando una comprensión más profunda de cómo el Universo ha alcanzado su estado actual de complejidad.

Este enfoque también implica un cambio en el paradigma científico, conforme a las ideas de Kuhn y Lakatos, En resumen, la combinación de complejidad, información y entropía nos permite ver la evolución del Universo no sólo como un proceso físico, sino también como un fenómeno informativo y termodinámico, repleto de interconexiones y patrones emergentes.

Podemos sintetizar estos tres principios en uno sólo que llamaríamos:

10.3. El principio de la dinámica evolutiva del universo

Este principio que unifica los tres anteriores, refleja una visión holística del Universo, donde el desarrollo de la complejidad, el flujo y la gestión de la información, y las implicaciones termodinámicas de la entropía se consideran como partes de un todo interconectado. Al abrazar esta perspectiva, se puede obtener una comprensión más profunda de cómo el Universo, en su conjunto, se desarrolla y evoluciona, revelando un tejido interconectado de causas y efectos que abarca desde las leyes fundamentales de la física hasta los patrones emergentes de la vida y la conciencia.

"En los sistemas complejos, la evolución de la complejidad y el orden es impulsada por el flujo y procesamiento de información, regida bajo las restricciones de la entropía creciente, donde la dinámica no lineal de interacciones y retroalimentaciones entre los componentes del sistema juega un papel fundamental en la emergencia y el mantenimiento de patrones organizativos." 

Esta frase resume cómo los sistemas complejos evolucionan en complejidad y se mantienen en un balance entre orden y desorden, bajo el marco de la segunda ley de la termodinámica.

1. Michael Levin es un catedrático del departamento de biología de la Universidad de Tufts, ocupa la cátedra Vannevar Bush y es director del Allen Discovery Center de Tufts y del Centro de Biología Regenerativa y del Desarrollo.

Fractales

7.1. Definición

Un fractal es una clase de objeto geométrico cuya forma se repite a diferentes escalas, manteniendo un patrón similar sin importar cuánto te acerques o alejes de ella. Esta propiedad se conoce como "autosimilitud". Es como si el patrón se repitiese a sí mismo de manera infinita.

El concepto de fractal fue popularizado por el matemático Benoît Mandelbrot¹ en 1975, quien los estudió como una manera de describir la complejidad matemática y visual en la naturaleza. De hecho, Mandelbrot acuñó el término "fractal" del latín "fractus", que significa "roto" o "fracturado".

Los fractales se originan a través de procesos de iteración, donde una regla o ecuación inicial simple se repite muchas veces. Cada repetición del proceso lleva la figura un paso más allá en su complejidad. Un ejemplo clásico es el Conjunto de Mandelbrot, generado a partir de una ecuación matemática sencilla que, cuando se repite infinitamente, produce un patrón infinitamente complejo y autosimilar.

En resumen, los fractales son una ventana a la complejidad inherente en el universo, mostrándonos cómo la repetición de reglas simples puede dar lugar a patrones intrincados y fascinantes tanto en matemáticas como en el mundo natural.

 

7.2. La dimensión fractal

“Mandelbrot propuso que se asignaran a los fractales dimensiones que no fueran números enteros. La dimensión fraccionaria propuesta constituyó una manera de poder medir de otra forma características no definidas claramente. Por ejemplo, el grado de irregularidad de una línea de una bahía o la aspereza de una superficie. Mandelbrot propuso la forma de calcular la dimensión de un objeto fractal y demostró que el número que así se obtiene no depende de la escala en la que se hacen las observaciones…por tanto, el grado de irregularidad de un fractal es el mismo a medida que se cambia de escala… Como ilustración mencionaremos que la curva de Koch tiene una dimensión igual a 1.2618.”

 

7.3. Los fractales en la naturaleza

En la naturaleza, los fractales aparecen en muchos lugares. Por ejemplo, la forma de un copo de nieve, la estructura de un helecho, la ramificación de los árboles, incluso la distribución de galaxias en el universo, pueden describirse usando conceptos fractales. Lo fascinante de los fractales es que nos muestran cómo patrones simples pueden generar una complejidad abrumadora, un tema muy en línea con las discusiones de complejidad e información en nuestro libro.

Los fractales aparecen casi como ocultos a simple vista, pero revelando sus fascinantes patrones a todos aquellos que se atreven a mirar más de cerca. Se trata de figuras geométricas sin fin, cuyas formas se repiten de forma ininterrumpida y que, aunque no lo parezca, están presentes en prácticamente todos los aspectos de nuestro entorno.

De hecho, estos objetos son mucho más comunes de lo que solemos imaginar y aparecen manifestados en un sinfín de contextos diferentes. Uno de los ejemplos más icónicos es el de los copos de nieve, en los que las estructuras hexagonales se repiten de forma continuada tanto si observamos sus cristales individuales, como si nos centramos en las formaciones más grandes.

Otro ejemplo son los sistemas montañosos o las líneas costeras. Ese tipo de fenómenos geográficos responde a los patrones infinitos definidos por los fractales: las montañas suelen mostrar la autosimilitud en la topografía, repitiéndose a diferentes escalas la cadena de picos-valles-crestas, mientras que las líneas costeras destacan por las entradas y salidas del mar, iterándose una y otra vez a cada nivel de detalle.

Los sistemas de ramificación de las plantas no se quedan atrás. Durante el crecimiento, muchos vegetales (como el brócoli romanesco) siguen un patrón fractal, de forma que, al observar cómo las ramas se dividen en otras más pequeñas y estas, a su vez, en otras aún menores, estamos realmente asistiendo a un fenómeno fractal. De forma parecida, las nubes toman también formas fractales: su estructura se repite de forma constante debido a los patrones en los que se agrupan las moléculas de agua en el aire.

 

 

7.4. Los fractales en el arte

La influencia de los fractales se extiende mucho más allá de la propia naturaleza, colándose en el mundo del arte y la cultura de formas de lo más creativas e inspiradoras. Un ejemplo es la escultura y el arte digital, en donde los artistas han experimentado con la creación de diferentes formas tridimensionales basadas en la geometría fractal. Este tipo de obras puede tomar la forma de esculturas tridimensionales de formas complejas o, simplemente, objetos que evocan fenómenos naturales.

El triángulo de Sierpinski es un ejemplo de estructura fractal muy simple, donde el patrón triangular se repite a diferentes escalas para dar forma a la figura.

En la siguiente imagen vemos que con el aumento de complejidad se transforma en arte, haciendo más difícil encontrar las diferentes escalas de los triángulos.

En la imagen de un prisma, generada con un triángulo de Sierpinski como base. Se puede ver cómo refleja la luz a través del material de vidrio, destacando el patrón fractal del triángulo

7.5. Los fractales en otras disciplinas

En los últimos años se han incorporado los sistemas fractales a la física y a la computación, como una forma de modelar sistemas complejos o, incluso, comprimir ciertas imágenes.

En el mundo de la ciencia de datos y del análisis complejo, los fractales han sido una herramienta poderosa para comprender ciertos patrones intrincados en grandes conjuntos de información. Por ejemplo, en el estudio de redes y conexiones, los fractales ayudan a comprender y estudiar el funcionamiento de las redes neuronales y la forma en la que se guarda la información en las grandes bases de datos

La música se ha visto incluida en este movimiento geométrico. En múltiples ocasiones los músicos han utilizado algoritmos de repetición (aun sin conocer las leyes) para componer piezas musicales, basándose en el principio de autosimilitud. Se trata de obras estructuradas en diferentes partes, donde las estructuras se repiten en diferentes escalas temporales, creando composiciones de lo más cautivadoras y sorprendentes. Un ejemplo entre muchos, es la Cello Suite No. 3 de Bach, la cual presenta unos patrones de notas cortas y largas que reaparecen como patrones de frases a una escala mayor.

Los fractales también son muy útiles en el proceso de entender la evolución de ciertos sistemas caóticos como el clima, los fenómenos meteorológicos, los mercados financieros o las dinámicas poblacionales. Han entrado en la industria de los videojuegos, utilizándose para generar paisajes y terrenos cada vez más detallistas y reales, de forma que sea posible la creación de mundos virtuales o entornos del metaverso de lo más vastos y variados sin necesidad de tener que diseñar cada uno de los detalles de manera manual.

Finalmente, y muy importante, nos damos cuenta de que la fractalidad es también una constante en la evolución del Universo con el funcionamiento de los sistemas y con las estructuras mentales, como veremos a lo largo del libro.

1. Benoît Mandelbrot fue un matemático, informático, profesor, economista y visionario polaco nacionalizado francés y estadounidense. Mandelbrot trabajó 35 años en IBM, lo que le permitió acceder al nivel de potencia informática que le permitiría manipular imágenes generadas por ordenador y desarrollar su teoría de una geometría presente en todo nuestro entorno natural. Fue uno de los primeros en utilizar gráficos por ordenador para ilustrar y probar este tipo de conceptos, demostrando que los fenómenos naturales que parecen accidentados o caóticos tienen en realidad cierto grado de orden y previsibilidad.